疊層織物成型過程集散監控系統研制與開發

秦 霞，姜 宇

（南京玻璃纖維研究設計院有限公司，南京 210012）

0 前言

隨著科學技術的發展，對材料性能的要求也越來越高，新材料和新技術的應用與發展，已經成為一個國家科技水平的重要體現。疊層織物是一種將布或纖維層在外力的作用下加密壓實并由 Z 向纖維建立連接的立體織物。該類織物具有良好的整體結構和較高的纖維體積含量，解決了航天航空等領域用立體織物大尺寸、高厚度成型難題，逐漸應用于航天航空、化工、汽車、醫療以及其他高新技術領域［1，2］。近年來，國內外疊層織物的研究主要集中在立體織物成型工藝與復合成碳/碳復合材料的力學和熱力學性能方面［3-5］，但是對織物成型過程的集中監控技術鮮有研究。而集中監控織物成型過程中的關鍵信息，不僅能提高產品質量穩定性、一致性，而且織物信息的完整性有利于追溯與分析過程數據。為此，針對疊層織物成型過程開展集散監控系統研制與開發。

1 系統方案與構成

疊層織物主要成型設備如圖1所示，通過驅動機構帶動底板、橫梁直線向下運動實現對織物施加壓力，并且壓力大小、持續時間對織物疊層高度起著決定性的作用，故在織物成型過程中需對影響織物質量的高度、壓力、時間進行監測。

本文研制的集散監控系統包含設備層、監控層、管理層，如圖2所示，具體方案如下：

（1）設備層：通過設計高度、壓力傳感器的結構與安裝方式以實現過程信息準確測量，構建分布式在線采集單元；

（2）監控層：PLC 通過兩路 RS485總線通訊集中接收信息以達到數據集中分析、處理的目的，構建 PLC 監控單元；

（3）管理層：上位機上的組態系統通過工業以太網總線對信息集中監視、自動生成織物數據庫，并輔助生產管理，構建上位機管理單元。

圖1 疊層織物成型設備示意圖

圖2 系統總體結構示意圖

2 系統設計與實現

2.1 在線采集單元設計與實現

疊層織物的成型設備類型多，在不改變設備結構的前提下，設計一種滿足測量精度、穩定性和通用性的在線采集單元。

2.1.1 位移傳感器設計與安裝

疊層織物具有細密化的特點，對均勻性、一致性要求較高。單次施加壓力后，織物的疊層高度達毫米級，且織物總高度有多種規格，因此，對位移傳感器的檢測精度與量程有一定要求。

系統選用精密級多圈絕對值編碼器作為位移傳感器采集成型過程中的織物高度，量程為2 m，測量精度為0.01 mm，并以拉繩方式安裝。拉繩一端縛在設備底板上，拉繩直線運動軌跡與底板運動軸線平行，底板移動帶動拉繩運動并驅動編碼器軸旋轉，輸出一個與拉繩移動距離成比例的弱電檢測信號，實現位移測量。而傳統編碼器拉繩式安裝采用輪轂回收拉繩，不同的量程會需要不同的輪轂半徑、拉繩長度，且輪轂半徑比編碼器軸大的多；在拉繩回收過程中，易出現拉繩重疊現象，影響編碼器測量精度。輪轂半徑對編碼器測量分辨率的影響，見式（1）：

式中：

α——編碼器測量分辨率，mm/pulse；

r——回收拉繩的輪轂半徑，mm；

n——編碼器位數。

當編碼器位數n不變時，測量分辨率α的數值隨著輪轂半徑增大而增大，但測量靈敏度隨之降低。針對一定位數的編碼器，以提高位移測量的靈敏度，保證測量精度，本文在傳統輪轂回收方式的基礎上，增加過渡輪1替代輪轂與編碼器軸直接連接，且過渡輪1的半徑極小，比編碼器軸半徑略大，通過將拉繩的一端與底板固定，分別經過編碼器上的過渡輪1、設備支架上的過渡輪2與重錘連接，以保證拉繩的張力，如圖3所示，實現織物高度精確測量的目的。

圖3 位移傳感器安裝示意圖

2.1.2 壓力傳感器設計與安裝

疊層織物成型過程中，驅動機構通過軸承和軸承座與底板連接并帶動橫梁運動，實現對織物施加壓力，因此驅動機構出軸與底板連接處輸出的壓力即為織物所受壓力。由于疊層織物規格存在多樣化，不同的規格則需不同的成型設備與施加壓力。因此，為了覆蓋施加壓力的范圍、保證壓力檢測精度，設計壓力傳感器的測量量程為10 T，精度為0.1 kg。

根據設備結構與安裝空間尺寸的差異性設計2種結構形式的壓力傳感器，分別為軸承座式壓力傳感器與軸型結構壓力傳感器。安裝時，依據設備的類型、安裝空間、規格，選用不同的壓力傳感器替代驅動機構出軸處的軸承或軸承座參與設備運行，如圖4、5所示。

圖4 軸承座式傳感器安裝圖

圖5 軸型結構傳感器安裝圖

2.1.3 通信方式建立

針對分布式在線采集單元，建立兩路 RS485總線，分別連接各設備上的位移傳感器和壓力傳感器。分布式在線采集單元作為 Modbus 從站，以RS485總線通訊方式向 Modbus 主站——PLC 監控單元傳輸數據，Modbus RTU 從站的數據幀與數據格式如表1、2所示［6，7］。

表1 Modbus RTU 數據幀格式

表2 Modbus RTU 數據格式

2.1.4 傳感器校準與設置

傳感器安裝完畢后，在設備空載狀態下，校準并設定傳感器的零點；利用標準測量儀器校準傳感器，當標準測量儀器與傳感器的測量顯示值存在差異時，通過校準系數修正傳感器的測量值，校準系數計算方法見式（2）：

式中：

ε——新校準系數；

ε1——當前校準系數，初始值為1；

A——標準測量儀器的測量顯示值；

B——傳感器的測量顯示值。

校準系數計算完成后，對傳感器的校準系數、通訊參數等進行設置。

2.2 PLC監控單元設計與實現

為集中監控整個設備層的織物成型過程信息并為數據庫創建提供可靠數據，本文選用三菱中大型Q 系列 PLC 作為監控單元的 CPU 與設備層在線采集單元總線通訊，實現數據的集中分析、處理。PLC監控單元借助工業以太網向管理層傳輸數據并預留對外擴展接口，保證系統網絡的實時性、可靠性、擴充性，控制原理如圖6所示［8，9］。

圖6 控制系統原理圖

PLC 監控單元對壓力、高度進行周期采樣，監測每臺設備施加壓力觸發信號，當信號觸發時，啟動壓力保持計時；在每次加壓初期，織物所受壓力、高度處于波動狀態，直至中后期趨于穩定，即當實時壓力值每秒波動范圍小于0.01 kg 時，記錄當前壓力保持計時時間T1，在T1≤T≤T' 時間段內，記錄測量壓力Fij、高度Hij，當T=T' 時輸出本次施加壓力完成信號；當T

式中：

i ——織物層數，層；

j ——第 i 層在T1≤T≤T' 時間內記錄的次數，j

Hi——當前層織物高度，H0為初始基準高度，mm；

ΔHi——疊層高度，mm；

Fi——織物所受壓力，kg。

式中：

ΔH' ——工藝設計疊層高度，mm；

F' ——工藝設計成型壓力，kg；

δH ——疊層高度與設計值偏差量，mm；

δF ——織物所受壓力與設計值偏差量，kg。

2.3 上位機管理單元設計與實現

2.3.1 數據庫設計與生成

織物數據庫包括織物目錄表和織物生產數據表?？椢锬夸洷碛糜诖鎯τ脩糨斎胄畔?，結構如表3所示；生產數據表用于存儲單個織物成型過程中的生產信息，結構如表4所示；機位數據庫用于存儲每臺機位上所有成型織物的生產數據，單臺機位數據表結構與表4一致。

上位機管理單元借助工業以太網實時與 PLC監控單元交互數據，并采用力控組態與 SQL 關系數據庫結合的方式，通過 ADO 組件創建織物數據庫與機位數據庫，根據織物成型過程中壓力保持信號，自動實現數據向數據庫內插入，數據傳輸流程如圖7所示［10，11］。

表3 織物目錄表結構

表4 生產數據表

圖7 數據傳輸流程

2.3.2 監控管理畫面

總界面：實時集中監控所有機位當前生產織物的成型狀態，包含壓力、高度、施加壓力信號及時間、異常等信息；

產品目錄畫面：織物成型前，用戶錄入織物設計、原材料、生產人員等信息，增加至織物目錄表中，并可在當頁實時查詢表中數據；

參數設定畫面：設定每臺機位上生產織物所需的控制參數，如：壓力、疊層高度及其偏差量、壓力保持時間等；

織物生產記錄畫面：創建每臺機位上生產織物的生產數據表，表名由產品編號、生產機位、時間（年月日時分秒）進行組合，使每個織物對應一個且唯一的生產數據表；

報警畫面：實時預警每臺機位上織物成型過程中所受壓力、高度的異常；

查詢畫面：可根據查詢條件查詢各個機位上成型織物的生產數據，或追溯某織物成型的生產數據與產品目錄；

用戶登錄畫面：用于操作人員登錄、進入系統操作［12］。

2.4 測試與試運行

系統開發完成后，通過空載、帶載測試，確定高度、壓力信號采集精度與量程完全達到設計要求、數據交互、數據庫存儲、報警等功能正常；即使系統出現故障也不影響設備的正常運行與生產任務；在此基礎上，對位移傳感器與過渡輪一體化設計取代重錘以進一步優化位移傳感器的安裝方式。

3 總結

實際應用證明，該系統具有一定的應用效果：

（1）通過設備層、監控層、管理層的協調、配合，實現了多設備生產信息的分布式高精度采集、集中式高效管理與存儲，提高了數據測量精度與存儲效率。

（2）提高了生產監控管理水平，保證了織物數據信息的完整性與可追溯性。

（3）通過為設備、織物成型過程創建機位、織物數據庫，對設備運行狀況、織物信息追溯提供可靠的數據檔案和分析原始數據依據。

（4）為工藝數據的進一步研究提供了一種新的方式，為優化成型工藝提升織物的綜合性能奠定了基礎。